Министерство Образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Кафедра САПР

Пояснительная записка к курсовой работе

по схемотехнике

" Проектирование интегрального стабилизатора напряжения"

выполнила: Скрипникова А.С.

гр. 3351

проверил: Соколов Ю. М.

Санкт-Петербург

2005 г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Вариант 16

Параметры	Значение
Номинальное выходное напряжение Uвых, В -	5
Максимально допустимый ток нагрузки Iн.max, A -	3
Падение напряжения вход-выход, не более Uвх-вых, В -	2.5
Диапазон допустимых входных напряжений Uвх. min, B- Uвх. max, B-	7,5 13
Ток потребления в режиме холостого хода, не более Iпотр.,мА -	20
Коэффициент стабилизации, не менее Кст -
Выходное сопротивление, не более Rвых, Ом -
Относительная температурная нестабильность выходного напряжения , не более %/С -
Коэффициент сглаживания пульсаций, не менее дБ
Диапазон рабочих температур -	-

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения об источниках вторичного электропитания (ИВЭП) 4

2. Стабилизаторы постоянного напряжения и их параметры 6

3.ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО стабилизатора напряжения (ИСН) на уровне инженерного синтеза схемы 8

3.1. Выбор функциональной схемы ИСН 8

3.2.ВЫБОР ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ ИСН 10

3.2.1. РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ 10

3.2.2. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 10

3.2.3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛА РАССОГЛАСОВАНИЯ 13

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСН НА УРОВНЕ АНАЛИЗА и расчёта принципиальной схемы 14

4.1. ВЫБОР НАЧАЛЬНОГО ВАРИАНТА СХЕМЫ И ЕЕ АНАЛИЗ 14

4.2. КОРРЕКТИРОВКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ. 17

РАСЧЁТ ЦЕПЕЙ ЗАЩИТЫ 17

4.3. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21

1. Общие сведения об источниках вторичного электропитания (ивэп)

ИВЭП, как правило, преобразуют напряжение сети U_c=220В±10% (переменное, нестабилизированное, f=50Гц) в стабилизированное низковольтное напряжение с малой пульсацией.

U_вых=15В±0,1%

Это обусловлено тем, что большинство электронных устройств и приборов питается от стабилизированного постоянного напряжения.

1. Типовая структурная схема ИВЭП:

(до 1 блока) (после 1 блока) (после 2 блока) (после 3 блока)

Рис. 1

1. силовой понижающий трансформатор, преобразует высокое переменное напряжение сети в низкое переменное напряжение при высоком КПД без изменения частоты;

2. выпрямитель и фильтр (например, диодный мост с конденсатором на выходе), преобразующие переменное напряжение в низкое постоянное напряжение с некоторой пульсацией;

3. стабилизатор постоянного напряжения:

- стабилизирует выходное напряжение при изменении напряжения сети и тока нагрузки ИВЭП

- уменьшает выходное сопротивление всего ИВЭП

- осуществляющий дополнительную фильтрацию выходного напряжения, уменьшая его пульсацию.

Основной недостаток традиционной структуры ИВЭП  большие габариты и вес силового понижающего трансформатора, что обусловлено большим количеством обмотки для работы на низкой частоте (50 Гц).

2. От этого недостатка свободно-перспективная структура ИВЭП:

u

t

u

t

u

t

(до 1 блока) (после 1 блока) (после 2 блока) (после 3 блока) (после 4 блока)

Рис. 2

1. высоковольтный выпрямитель и фильтр (например, диодный мост с конденсатором на выходе), преобразующий высоковольтное переменное напряжение в высоковольтное постоянное напряжение с некоторой пульсацией;

2. понижающий преобразователь постоянного напряжения, преобразует высокое постоянное напряжение в низкое переменное напряжение, как правило, прямоугольной формы;

3. выходной выпрямитель и фильтр, преобразует низкое переменное в низкое постоянное;

4. выходной стабилизатор постоянного напряжения, как правило, необходим для уменьшения сопротивления всей схемы.

Выводы:

В перспективной структуре, также как и в традиционной, в преобразователе напряжения 3 есть силовой понижающий трансформатор, но он работает на частотах f_k=50-100 кГц в сотни и тысячи раз больше f_с , и значит его габариты и вес для той же выходной мощности в десятки раз меньше, чем в традиционной структуре.

Таким образом двойное преобразование переменного напряжения в постоянное в перспективной структуре необходимо только для того, чтобы силовой понижающий трансформатор работал на высокой частоте и следовательно имел меньшие габариты и вес.

2. Стабилизаторы постоянного напряжения и их параметры

Рис. 3

+

-

СПН – электронное устройство, которое стабилизирует постоянное напряжение на его выходе U_вых при изменении в широких пределах входного постоянного напряжения U_вх и тока нагрузки I_н.

Таким образом и U_вх, и U_вых постоянные напряжения, т.е. не знакопеременные, только U_вых стабилизированное напряжение, а U_вх нестабилизированное напряжение.

Изменение напряжения U_вх, как правило, связано с изменением напряжения сети U_с (±10%), а напряжение тока нагрузки I_н связано с изменением эквивалента нагрузки R_н электронного устройства, получающего питание с выхода стабилизатора.

Например, нагрузка R_н робота: робот стоит R_н большое I_н маленькое, робот идет R_н маленькое I_н большое.

Основные параметры СН:

1. U_вых, В – номинальное выходное напряжение (напряжение стабилизации);

2. I_н.макс, А – максимальный ток нагрузки (СН должен стабилизировать выходное напряжение с заданной точностью при изменении тока нагрузки от 0 до I_н.макс);

3. k_ст – коэффициент стабилизации СН:

k_ст =(∆U_вх/∆U_вых)*(U_вых / U_вх)=(1/k_U)* (U_вых / U_вх),

U_вх=0.5(U_вх.мин+ U_{вх.макс}),

k_U – коэффициент передачи СН как четырехполюсника по напряжению;

∆U_вх, ∆U_вых – приращения напряжений;

U_вх, U_вых – постоянные составляющие;

U_вх.мин, U_{вх.макс} – минимальное и максимальное входные напряжения;

4. R_вых – выходное сопротивление СН:

R_вых =∆U_вых/∆I_н;

5. γ_Uвых - абсолютная температурная нестабильность выходного напряжения:

γ_Uвых = ∆U_вых/∆Т [мкВ/С];

6. α_Uвых – относительная температурная нестабильность выходного напряжения:

α_Uвых=∆U_вых/(∆Т* U_вых)*100% [ %/С].

Параметры идеального стабилизатора напряжения:

U_вых  const k_ст  

I_н.макс   k_U  0

Таким образом в плане параметров k_ст и k_U идеальный стабилизатор напряжения дуален идеальноиу усилителю, так как идеальный усилитель должен как можно лучше усиливать сигнал (k_ст  0, k_U  ), а идеальный СН должен ослаблять ∆U_вх, воспринимая их как нестабильность.

R_вых  0, т.е. идеальный СН по выходу эквивалентен идеальному источнику напряжения, и в этом плане он дуален идеальному стабилизатору тока с R_вых  .

γ_Uвых = α_Uвых = 0.

СПН классифицируются следующим образом:

1. параметрические стабилизаторы (КПД, η=0,3-0,4; I_н.макс=10-100 мА)

Их действие основано на нелинейности ВАХ кремниевых стабилитронов или диодов.

Пример: (см. рис. 10) R1, VD1 – параметрический стабилизатор, где VD1 – интегральный стабилитрон с напряжением стабилизации 6,3 В.

Вход: нестабильное входное напряжение всего стабилизатора + Uвх;

Выход: база VT2;

При этом стабилизируется режим по току транзистора VT2 УЗСР.

Если стабилитрон VD1 перевернут, то при этом стабилитрон VD1 превратится в диод, работающий в прямом напряжении, с напряжением на нем 0,6-0,8 В, следовательно, напряжение на базе VT2 падает с 6,3 В до 0,6 В.

2. компенсационные стабилизаторы напряжения

(η=0,6-0,8; I_н.макс=100 - 1000 мА)

Их действие основано на общей отрицательной обратной связи (ООС), стабилизирующей напряжение на выходе СН. Регулирующий элемент (РЭ) в этих СН работает в непрерывном (активном) режиме, поэтому на нем рассеивается достаточно большая мощность.

3. импульсные стабилизаторы (η=0,9-0,97; I_н.макс= 110 мА)

В этих СН РЭ работает в ключевом режиме, поэтому на нем рассеивается малая мощность. Напряжение на выходе поддерживается постоянным за счет вариации относительной длительности включения и отключения состояния РЭ.

Наш проектируемый стабилизатор – это компенсационный стабилизатор с отрицательной обратной связью.